嫦娥五號帶回的石頭“說”：月球散熱，沒我們想象得那么快
從月壤齏粉中，科學(xué)家們已然窺見月球演化的些許玄機(jī) | 圖源：pixabay.com
2020年底，中國的月球探測器 “嫦娥五號” 登陸月球上一塊相對年輕的地區(qū)，并挖取和鉆取了1.731公斤的月球樣品。
今年7月，第一批科學(xué)家們通過申請獲得部分樣品。3個(gè)月后，從這些月壤齏粉中，科學(xué)家們已然窺見月球演化的些許玄機(jī)。
撰文｜王一葦
責(zé)編｜陳曉雪
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從小麥面粉顆粒大小的月球玄武巖碎片中，中國的研究者發(fā)現(xiàn)，月球上已知最年輕的火山在20.30 ± 0.04億年前才陷入沉寂，比此前報(bào)告的月球其他區(qū)域火山在30億年前已經(jīng)“死掉”的結(jié)果晚了10億年，也比最年輕的月球隕石（月球遭小行星撞擊飛濺落到地球上的巖石，年齡為28-29億年）晚了8~9億年。這意味著，至少在20億年前，月球內(nèi)部還在進(jìn)行著演化。
北京時(shí)間10月19日下午5點(diǎn)，《自然》（Nature）雜志在線加速發(fā)表了中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所等機(jī)構(gòu)的上述發(fā)現(xiàn) [1]。
與這一測年論文同時(shí)發(fā)表的，還有另外兩篇論文：一篇測定了月球玄武巖樣品的地球化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)玄武巖的月幔源區(qū)（即月幔中巖漿曾經(jīng)活躍的區(qū)域）中克里普組分（KREEP，月球上一種黃褐色玻璃狀礦物，富集鉀K、磷P和稀土元素REE）較少，得出月幔中不富含放射性生熱元素的結(jié)論；另一篇則測定了玄武巖樣品中熔體包裹體和磷灰石的水含量，得出月幔含水量較少的結(jié)論。[2,3]
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的李獻(xiàn)華院士說，月球質(zhì)量小（只有地球的1.2%），人們通常認(rèn)為月球的熱保持能力比較差，散熱很快，但他們的研究結(jié)果提出了新的可能性：月球的散熱不一定那么快。李獻(xiàn)華是此項(xiàng)月球樣品研究的主要負(fù)責(zé)人、測年論文的共同通訊作者。
這三篇論文的樣品，均來自于名為 “風(fēng)暴洋”（Oceanus Procellarum）的月球北部月海中呂姆克（Mons Rümker）山北部，由中國 “嫦娥五號” 月球探測器在2020年12月17日帶回地球。這些發(fā)現(xiàn)，也是中國國家航天局探月與航天工程中心（下稱探月中心）自2021年7月12日發(fā)放第一批月球樣品后，又一批發(fā)表的研究成果。
美國東部時(shí)間10月7日，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表論文，得出月球玄武巖的凝固時(shí)間大約為19.63±0.57億年 [4]。
此次新發(fā)布的定年結(jié)果與上述年齡在誤差范圍內(nèi)基本一致，且通過測量更多樣品提高了該結(jié)果的準(zhǔn)確性。
“兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果激動人心且令人印象深刻，” 加州大學(xué)戴維斯分校（University of California, Davis）地球與行星科學(xué)系教授尹慶柱說，“這是中國科學(xué)家取得的重要成果。從獲得樣品開始不到4個(gè)月的時(shí)間收集數(shù)據(jù)、解析結(jié)果、撰寫論文并在主流科學(xué)期刊上發(fā)表，代表了研究團(tuán)隊(duì)們巨大的成就和艱巨的努力！非常令人印象深刻！”
月球變冷速度比想象中慢
可能的原因是什么？
李獻(xiàn)華告訴《知識分子》，此前的撞擊坑計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)研究認(rèn)為，呂姆克山北部的巖漿可能在較晚的年代仍在活動，是因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域表面的放射性生熱元素含量高，所以推測該區(qū)域有足夠能量來維持火山活動。
圖1 嫦娥五號及此前登陸探測器采樣點(diǎn)的分布情況，左圖為估算月球表面地形年齡，右圖為釷（放射性生熱元素物質(zhì)）熱力圖，可以看到嫦娥五號所在地點(diǎn)較為年輕，且放射性生熱元素較高 | 圖源：Lin and Yang, 2021, The Innovation
他們最近發(fā)表的研究首先確定，巖石形成較晚的估計(jì)是對的?！半m然過去估計(jì)的不那么精準(zhǔn)，但（這一位置的）巖石確實(shí)很年輕，這是個(gè)值得高興的事”。
其他兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，則為解釋這一現(xiàn)象提出了新的問題。
之前的估計(jì)認(rèn)為，巖漿形成時(shí)間晚，一個(gè)影響因素是放射性生熱元素含量比較多，比如鉀、鈾和釷。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員楊蔚和同事的研究顯示，風(fēng)暴洋北部月幔的放射性生熱元素并不富集，與阿波羅玄武巖的月幔源區(qū)相當(dāng) [2]?！?strong>說明放射性元素并非導(dǎo)致這里巖漿活動的主要原因。” 李獻(xiàn)華解釋說。
另外，水含量也能影響月幔源區(qū)巖石的熔融溫度。以前的假設(shè)是，水含量高，會導(dǎo)致巖石由固態(tài)熔融為液態(tài)的溫度降低，也就是說，在月球變冷的過程中，巖漿凝結(jié)需要更長時(shí)間。胡森等人的水含量研究發(fā)現(xiàn) [3]，“巖石母體的水含量并不高，大概只有1-5μg.g-1（每克樣品中含1至5微克），跟阿波羅樣品比較明顯是偏低的?！?李獻(xiàn)華說。這也就排除了高水含量導(dǎo)致巖漿活動年代晚的猜想。
尹慶柱說，這幾項(xiàng)工作提出了一些 “關(guān)于月球熱演化的有趣問題”?！霸谶@樣的條件下，月球這樣一個(gè)小天體如何保持晚期的巖漿活動?” 他說，“我期望看到一系列建模工作，以使行星科學(xué)界理解這些數(shù)據(jù)提供的信息?！?/span>
李獻(xiàn)華介紹，影響月球散熱的因素還有一個(gè)，那就是壓力，需要做進(jìn)一步的研究。
“也許我們對月球的熱演化估計(jì)有問題，需要重新思考，” 李獻(xiàn)華說，“最近的（其他）研究發(fā)現(xiàn)，月球表面有十幾米厚的月壤層，保溫性特別好，像鴨絨被一樣。所以月球雖然小，但散熱不一定很快。”
從 “遠(yuǎn)觀” 到 “近賞” 的月球研究
尹慶柱說，這批同位素法測年結(jié)果，補(bǔ)上了月球研究中“撞擊坑計(jì)數(shù)法”在10億年到30億年這個(gè)時(shí)間段的計(jì)算缺陷。
在無法取得月壤時(shí)，科學(xué)家們只能通過 “數(shù)坑” 的方式計(jì)算月球表面地體的年齡，推算它的演化：由于月球上大氣稀薄，隕石撞擊是常事，而撞擊坑往往保留比較完整。撞擊坑多且層層疊疊的地方，形成年代比較久遠(yuǎn)；撞擊坑少的地方則比較年輕。這種方式稱為 “撞擊坑計(jì)數(shù)法”，也可以用于太陽系的其他行星，如金星和火星。
經(jīng)過長時(shí)間發(fā)展，“撞擊坑計(jì)數(shù)法” 已經(jīng)成為推算月球演化的重要工具。對30億年以上的地體，它的推測比較準(zhǔn)確，但對30億年以下的 “年輕” 地體，不同科學(xué)家的推測往往差異巨大，通常誤差在5到10億年之間。
圖2 “撞擊坑計(jì)數(shù)法”研究領(lǐng)域有一條著名的定年曲線，但這條曲線在10-30億年的位置非常平坦，估計(jì)誤差很大。此次的測年結(jié)果“錨定”了年代數(shù)據(jù)，對于“撞擊坑計(jì)數(shù)法”的精度提高至關(guān)重要 | 圖源：Li et al., 2021, Nature
李獻(xiàn)華說，這一工作，對于校準(zhǔn) “撞擊坑計(jì)數(shù)法”，以應(yīng)用于更多天體的研究也有重要意義。
“挑面粉”
月球樣品珍貴，實(shí)驗(yàn)是個(gè)精細(xì)活。
為了避免地球物質(zhì)對樣品的污染，地質(zhì)與地球物理研究所專門為月球樣品研究建造了一間月球潔凈實(shí)驗(yàn)室，每立方米直徑大于0.5微米的顆粒物控制在幾千以內(nèi)。此外，用于放置樣品和實(shí)驗(yàn)的手套箱充滿了氮?dú)?，氧氣分壓和水分壓都很低，避免了污染?/span>
由于月球幾乎是真空環(huán)境，表層月壤因?yàn)槎啻巫矒舳?xì)碎，一毫米以上的碎片都很少。一個(gè)典型的月球科研樣品編號是一串字母和數(shù)字的集合，其中開頭的 “CE5” 代表嫦娥五號，中間的“YJ”代表研究，“GP” “YX” 和 “FM” 分別代表三種類型的樣品：直徑最大的光片、較小的巖屑和最細(xì)碎、直徑僅幾百微米的粉末。
圖3 李獻(xiàn)華申請到的“嫦娥五號”月球樣品 | 圖源：[1]
李獻(xiàn)華團(tuán)隊(duì)申請到的5個(gè)科研樣品主要是巖屑和粉末樣。第一個(gè)挑戰(zhàn)，就是從一堆幾十微米的巖屑中挑出稍大的幾百微米的巖屑片。普通面粉的顆粒直徑是75微米，而據(jù)李獻(xiàn)華介紹，月壤顆粒的平均粒度也就只有幾十微米。
“想想看，要是在一堆‘白面粉’里有幾顆‘黑面粉’，難度非常大?！?李獻(xiàn)華說。
實(shí)驗(yàn)室中間有一個(gè)正壓的手套箱，壓強(qiáng)大于外部，里面充滿了氮?dú)?，穿著潔凈服的研究人員眼睛盯著放大幾十倍的雙目鏡，將手伸入手套洞，手上捏著一根非常細(xì)的不銹鋼針，慢慢地挑揀。
圖4 論文的作者之一李金華在手套箱旁操作，旁邊是技術(shù)人員郭倩和馬紅霞 | 圖源：任輝
挑揀出來的玄武巖巖屑，用環(huán)氧樹脂制成樣品靶，拋光后，先用掃描電鏡在巖屑進(jìn)行圖像分析、識別各種礦物，特別是尋找富鈾的含鋯礦物（如斜鋯石）；然后，將樣品靶鍍一層約20納米厚的金，放入離子探針，用一次氧離子束 “打”到礦物上，“輕輕掃掉”表面上的金，然后測量礦物的鉛同位素組成并計(jì)算年齡。
之所以要尋找含鋯礦物，是因?yàn)檫@種礦物形成時(shí)富集鈾、但基本不含鉛，因此離子探針測得的鉛基本上是放射成因的，可以獲得可靠的同位素測年結(jié)果。
在幾百微米大小的碎片里，含鋯礦物通常只有幾微米的寬度，這時(shí)離子探針的分析束斑要非常小，才能準(zhǔn)確覆蓋礦物，束斑過大會分析到覆蓋于礦物顆粒間縫隙中可能遺留的微量金（含有極微量的鉛），就有可能計(jì)入不屬于樣品的放射成因鉛，影響測年結(jié)果。
李獻(xiàn)華團(tuán)隊(duì)使用的離子探針分析束斑直徑小于3微米，是目前最高空間分辨率的高精度離子探針定年技術(shù)。
圖5 論文中展示的一份玄武巖樣品，左圖可以看到含鋯礦物處于b點(diǎn)位置；右圖是放大的b點(diǎn)，白色位置為含鋯礦物，測點(diǎn)指向的陰影為離子探針打過之后留下的痕跡 | 圖源：李獻(xiàn)華
研究人員共測定了47個(gè)樣品的年齡，得出結(jié)論：在 “風(fēng)暴洋” 這片年輕的月海里，玄武巖結(jié)晶固結(jié)于約20.3億年前，這一結(jié)果的誤差值僅有上下四百萬年。
而10月發(fā)表的《科學(xué)》論文中，僅通過含鋯礦物定年測出的結(jié)果是20.11 ± 0.50億年，與以上結(jié)果更為接近。
小插曲：國際合作是與非
在 “嫦娥五號” 帶回月壤之前，中國研究者僅有的關(guān)于月壤的研究實(shí)踐，來自于1978年中國接受美國捐贈1克月壤中的一半。因此，有實(shí)際月壤研究經(jīng)驗(yàn)的人并不多。
李獻(xiàn)華介紹，目前國內(nèi)月壤的研究者們，有一些是從事地質(zhì)學(xué)研究的學(xué)者，一些是行星科學(xué)家，還有一些則來自地球物理、地球化學(xué)等領(lǐng)域，大部分也是在 “邊做邊學(xué)”。李獻(xiàn)華是一名研究同位素的地球化學(xué)家，他的團(tuán)隊(duì)此前針對地外樣品開發(fā)了多種高精度的分析技術(shù)。
月壤研究申請的評審會于6月在北京舉行，每個(gè)申請人只有大約13分鐘的時(shí)間闡述研究計(jì)劃和回答專家提問。在第一批提交申請的37個(gè)隊(duì)伍中，最后來自13個(gè)機(jī)構(gòu)的17個(gè)申請人獲得了樣品，其中包括李獻(xiàn)華團(tuán)隊(duì)。
今年10月7日發(fā)表的《科學(xué)》文章，是最早發(fā)布的 “嫦娥五號” 月球樣品研究。由于論文署名中出現(xiàn)了不少外國專家，有一位還是通訊作者，引起了一些關(guān)注。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所副教授 Ross N Mitchell 認(rèn)為，通訊作者一般是給項(xiàng)目的領(lǐng)頭科學(xué)家的榮譽(yù)，而中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所此舉 “too kind”（過于慷慨）[5]。
“所有的科學(xué)家都應(yīng)該知道，科學(xué)論文署名的基本原則是什么，是按照貢獻(xiàn)的?！崩瞰I(xiàn)華說。
《知識分子》聯(lián)系了《科學(xué)》文章的通訊作者、澳大利亞科廷大學(xué)教授 Alexander Nemchin。他說，他和項(xiàng)目申請人、中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所研究員劉敦一已認(rèn)識31年，關(guān)于月壤研究的合作早在 “嫦娥五號” 之前就已經(jīng)開啟。四年前，兩人討論認(rèn)為可以合作研究月球樣品，由他向NASA申請獲得阿波羅號帶回來的樣品。
而在此次 “嫦娥五號” 樣品的合作研究中，為了論文盡快發(fā)表，Nemchin提出由自己起草英文論文稿，最初他將自己的名字放在末位，劉敦一后將他列為通訊作者。
“我覺得提出質(zhì)疑的人并沒有參與過真正的（國際）合作，” 他說，“對我來說，合作是一種與欣賞的人共同開展感興趣的研究的能力?！?/span>
論文另一位通訊作者劉敦一告訴《知識分子》，Nemchin是地質(zhì)研究所的訪問學(xué)者。研究的主要工作在地質(zhì)所完成，而討論和分析則由中外的團(tuán)隊(duì)成員們在線上開展。Nemchin作為論文起草人，列位通訊作者是為了方便和編輯部溝通。
劉敦一說，國際合作是科學(xué)發(fā)展的必然途徑，“取長補(bǔ)短”并不丟人。合作也是相互的。十年前，他曾與美國華盛頓大學(xué)的學(xué)者共同研究阿波羅12號帶回的月球樣品，發(fā)布的論文中他是第一作者。
由中國國家航天局制定的《月球樣品管理辦法》規(guī)定，國家航天局鼓勵開展基于月球樣品的空間科學(xué)國際聯(lián)合研究工作，促進(jìn)成果的國際共享 [6]。據(jù)《知識分子》了解，目前公布的月球科研樣品尚未向外國申請人開放，但并未限制中國申請人的團(tuán)隊(duì)中引入外籍專家。
7月，第一批樣品發(fā)放時(shí)，負(fù)責(zé)月球樣品管理的探月中心副主任裴照宇在《人民日報(bào)》的采訪中說，當(dāng)時(shí) “還沒有收到國外科研機(jī)構(gòu)提交的正式申請”，但 “國家航天局鼓勵開展月球樣品的國際聯(lián)合研究，國外科學(xué)家可以通過加入國內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)等方式共同開展樣品研究工作。國家航天局正在會同有關(guān)部門制定月球樣品國際合作相關(guān)規(guī)則，報(bào)中央批準(zhǔn)后實(shí)施?！?/span> [7]
小提示
月球樣品信息向公眾開放
讀者們可以訪問探月中心網(wǎng)站獲取具體信息：
https://moon.bao.ac.cn/moonSampleMode/
制版編輯 | 盧卡斯
